煤矿井下暂堵转向水力压裂技术研究

刘登峰，周俊杰，龚齐森，王选琳，补成中

（1.重庆市能源投资集团科技有限责任公司，重庆400061；2.川庆钻探有限公司页岩气项目经理部，成都610056）

近年来借鉴油气行业经验运用水力压裂技术治理煤矿瓦斯得到了有效发展，其特点都是以水或压裂液作为煤体卸压增透的介质，使其产生并沟通裂缝，达到提高煤尘透气性和瓦斯抽采效率的目的。但煤矿井下的水力压裂压裂工艺和装备当前尚处于起步发展阶段，并且“水治瓦斯”中水“欺软怕硬”的特点及煤岩体自身非均质性特征，容易导致煤矿井下压裂裂缝的不均匀分布，形成改造盲区，进而影响压后瓦斯抽采效果。为更好地解决上述问题，本文创造性的将暂堵转向压裂技术引入煤矿井下，结合煤矿井下压裂应用现状和暂堵水力压裂技术原理，分析了煤矿井下暂堵转向压裂的适应性，优选了暂堵转向剂，设计了煤矿井下暂堵压裂的工艺流程，以期为煤矿水治瓦斯技术和工艺的提升提供新手段，开辟煤矿瓦斯治理新方法。

1 煤矿井下压裂应用概况

煤矿井下压裂是将压裂设备运送到煤矿井下，位置通常都在地下几十米乃至几百米，在拟压裂区域布置好压裂孔，通过高压泵及管汇将压裂液/混砂液注入煤层，使煤岩体产生裂缝并不断扩张延伸，有效提升煤层的透气性，改变煤体强度，改善压后瓦斯抽采效果。

煤矿井下压裂一般包括以下几个环节：

1）压裂孔布置。根据煤层结构及预设的压裂位置确定钻孔深度，并结合煤矿井下巷道布置及采掘进度确定合理的钻孔位置。

2）压裂钻孔封孔。由于煤矿井下压裂没有类似油气行业压裂井口的设备，只能简单对压裂孔实施封孔，保证高压裂液安全顺利进入煤层。封孔质量是决定水力压裂成功与否的关键，常用的封孔方式有水泥砂浆封孔和封孔器封孔。

3）设备安装。煤矿井下压裂系统主要包括高压泵组、管路、远程监控等子系统，各子系统安装完毕后要保障其供水、供电；压裂泵和控制系统是施工压裂的核心设备，针对煤矿井下作业空间狭窄的特点设计为撬装安置，泵组和控制系统紧凑集成布置在两个平板车底座上。以重庆市能源投集团研发的BYW78/400 型泵组为例，整机尺寸仅为6400×1400×17800mm[1](如图1 所示）。

图1 煤矿井下压裂泵组实物图

4）压裂实施。根据压裂作业设计进行压裂施工。工艺一般为高压注入清水或者压裂液加砂。受泵组尺寸限制，工作压力为37MPa 时泵送排量最大仅为35m3/h[1]（见表1）。

表1 BYW78/400 型压裂泵组性能参数表

5）压后瓦斯抽采。将所有压裂钻孔接入矿井瓦斯抽采系统进行瓦斯抽采并观测瓦斯抽采浓度和纯量，评判压裂效果。

综合煤矿井下压裂的应用现状及特点可以看出，相对于油气行业，当前煤矿井下的压裂工艺还比较低下；在压裂关键参数上，因压裂设备能力有限，泵送排量远较小，类似于高压注水；同时煤矿井下巷道等作业空间狭窄，压裂呈现出工艺水平低、设备能力低、施工空间窄的“双低一窄”特点，因此其压裂效果及压裂范围有限，存在压裂改造盲区。结合油气开发中的地面井压裂，在目前工艺简单且难以提高压裂设备性能的情况下要想提高压裂效果，加入暂堵剂实施转向压裂不失为一个有效易行的办法。

2 煤矿井下暂堵转向压裂适应性分析

根据弹性力学理论和岩石破裂准则，水力裂缝的扩展延伸方向和几何分布主要受地应力状态控制，人工裂缝位于垂直于最小主应力的平面内。裂缝延伸遵循能量最小原则，实现裂缝转向需要具备一定的力学条件。常规压裂裂缝延伸方向受控的力学条件为[2]：

式中：P 为裂缝的缝内压力，MPa；T 为岩石扩张强度，MPa；σHmax为水平最大主应力，MPa；σHmin为水平最小主应力，MPa。

若能使P≥σHmax+T，即当缝内压力升高幅度ΔP≥σHmax-σHmin时，压裂裂缝可摆脱水平应力的束缚，改变延伸和扩展方向。

提高裂缝缝内压力是实现裂缝转向的必要条件。围绕着这一思路，暂堵技术就是在施工中适时地向地层中加入暂堵剂，该剂为粘弹性的固体小颗粒，遵循流体向阻力最小方向流动的原则，转向剂颗粒进入地层中的裂缝或高渗透层，产生滤饼桥堵，使后续工作液不能进入，产生高于裂缝破裂压力的压差值，从而使压裂液转向进入高应力区或新裂缝层[3]（如图2 所示），极大的提高压裂效果。

图2 层内裂缝转向示意图

不同于常规油气储层，煤层的天然裂隙及割理发育，具有形成复杂缝网的最佳先天地质条件。一般将天然裂缝张性破裂和剪切破裂作为裂缝性储层形成复杂缝网的判据。层内转向的目的就是沟通天然裂隙或致生新裂缝，一般认为人工压裂裂缝主要产生于煤层中并沿各级弱结构面扩展、延伸。煤矿井下压裂深度较浅，压裂后裂缝形态更易形成“T”型复杂缝。当小粒径的暂堵剂随压裂液进入层内，在预定位置形成有效暂堵，可实现主裂缝转向，或使天然裂缝和储层弱面张开，更好地沟通微裂缝，形成一个天然裂缝在空间上纵横交错的裂缝网状系统[4]（如图3 所示）。因此，只要合理的加入暂堵剂，便能实现层内转向，进而沟通天然裂缝和产生新裂缝。

图3 层内裂缝转向示意图

据相关调研，油气行业的煤层气井中有对煤层使用暂堵剂或绒囊流体来实施暂堵转向的施工案例[4,5]，在煤矿井下压裂中亦有简单使用重复压水力压裂技术来达到裂缝转向以改善压后效果的报道[6,7]，而在煤矿井下压裂中尚未有暂堵剂直接现场应用的案例报道。基于前述的煤矿井下压裂特点及暂堵转向压裂适应性分析，笔者认为在常规煤矿井下压裂液中加入暂堵转向剂，实施暂堵转向压裂可操作性强，借助于暂堵转向剂在煤层主裂缝中产生桥堵升压效应，转向压开新裂缝，沟通天然裂缝，充分利用煤岩自身天然裂缝和割理较发育特征，最大程度地形成分支缝，增大平面上网络裂缝的复杂程度，沟通煤层盲区，增大瓦斯泄气面积，有效释放整个煤层箱体内应力，将会极大的改善提高压后瓦斯抽采效果。

3 煤矿井下压裂暂堵转向剂优选

煤矿井下压裂改造层具有埋深浅、施工压力低、泵送排量低的特点，而转向压裂暂堵剂必须可在水力裂缝中形成较强封堵、在低温下易溶于水、对地层伤害小，所以煤矿井下暂堵转向压裂可选用小粒径水溶性暂堵剂。选用小粒径是出于泵排量低和裂缝缝内转向的考虑。水溶性暂堵剂主要为水溶性聚合物冻胶类堵剂，易溶于水，在水中粘度显著增加，线性大分子链上的极性基团能与某些有机基团或多价金属离子反应生成交联产物一冻胶[8]。通过优化筛选，暂堵剂MKZD-1 满足以上需求，其各方面性能如下所示。

3.1 外观和基本性能

水溶性暂堵剂MKZD-1 为黑色固体颗粒（0.2～0.8mm），具有一定硬度，受力情况下呈现脆性破坏，不粘泵。该颗粒属于小粒径，不仅利于低排量下的泵送，更易于在煤岩裂隙中形成缝内转向。以重庆市能源投资集团所属松藻煤矿为例，经统计本区煤体抗拉强度均值为0.43MPa，煤层水平主应力差2.2～4.7MPa，利用小粒径暂堵剂进入裂缝内，能较好实现升高缝内净压力，使煤层天然裂缝发生张性和剪切断裂，达到层内裂缝转向或形成分支缝的目的。水溶性暂堵剂MKZD-1 的基本性能参数见表2。

表2 水溶性暂堵剂MKZD-1 基本性能参数

3.2 溶解性测试

煤矿压裂层埋深浅，地温不高，优选的暂堵剂须在中低温下具有良好的水溶性能。对暂堵剂MKZD-1进行了室内溶解性能测试。将5g 暂堵剂MKZD-1 放入100mL 纯水中，置于35℃水浴环境，持续观察暂堵剂的溶解情况，溶解时间为48h。按照行业标准SY/T5764—2007《压裂用植物胶通用技术要求》[9]，在实验室利用离心机及烘箱，测得暂堵剂MKZD-1 的水不溶物为4%。综合评价暂堵剂MKZD-1 溶解时间短，水不溶物低，利于后期压后保压和瓦斯抽采。

3.3 封堵能力评价

采用人造充填岩心的方法模拟水力裂缝封堵，正向水驱测定其突破压力，确定暂堵剂的强度。突破压力是均相流体驱替时达到突破封堵效应所需要的最大压力，其大小反映了暂堵剂对岩心的封堵效果。用清水驱替岩心，记录封堵压力下相应的滤失速度和滤失量变化情况，观察当出口端排出第一滴液体时的进口端压力即为暂堵剂的突破压力。

实验采用预胶结后制成厚度为0.5cm 和1.0cm的两种滤饼（见图4）分别进行突破压力测试，结果（见表3）表明：形成滤饼后突破压力高。0.5cm 厚滤加压14MPa 可获突破，1.0cm 厚滤加压40MPa 后，通过岩心的滤失速度20min 后几乎降为0，滤失量也增加缓慢，表面对岩心进行了较好的封堵，实验100min 承压40MPa 未获突破（见图5）。

图4 1.0cm 滤饼岩心突破压力测试

图5 1.0cm 滤饼岩心突破压力测试

表3 MKZD-1 暂堵剂承压评价实验

4 煤矿井下暂堵转向压裂施工设计

4.1 现场施工工艺

由于煤矿井下压裂泵排量低，为保证施工成功，加入小颗粒暂堵剂对裂缝进行缝内暂堵转向。暂堵剂通过混砂装置加入（见图6），经过压裂泵注入煤层，整个压裂施工基本为连续施工，不需改变目前的压裂方式，因此降低了施工难度。暂堵转向压裂施工工艺是在携砂液阶段段塞式加入暂堵剂，顺序为：加入前置液—加入携砂液—加入转向剂—加入前置液—加入携砂液。即当第1 级造缝—加砂完成后，顶替一个管柱容积压裂液，随后降低泵注排量，迅速从混砂装置加入暂堵材料，逐渐提高恢复至原设计排量，顶替到位并形成封堵，进行第2 级造缝—加砂。

图6 煤矿井下暂堵转向压裂施工示意图

投注转向剂时，整个投加过程在半分钟左右完成，不宜投加时间过长。为了让颗粒更易在裂缝内形成暂堵，泵注暂堵剂时应采用较高排量，使裂缝稍微张开，以便颗粒能够顺利输送到裂缝深处。推荐排量比正常施工排量提高10%或正常施工排量，以便缝内净压力快速提升。

投注转向剂后，施工人员应该掌握好暂堵剂到达裂缝时间，密切关注泵压变化。根据油气井暂堵压裂经验，在缝内转向压裂施工中，压力曲线反映有较为明显的二次破压或沟通微裂缝的压力先升后降波动显示。转向压裂施工压力较投注暂堵剂前压力会有抬升，施工压力前后对比具有台阶状形态。指挥人员可以根据压力变化情况，进行多次暂堵剂投送，实施多次缝内转向，以取得较好的改造效果。

4.2 暂堵剂加量设计

暂堵剂设计量少了起不到裂缝转向的目的，设计量多了又会增加施工压力和施工难度，因此设计暂堵剂的合理用量至关重要。在施工设计时，暂堵剂的充填浓度和用量利用式（2）来进行计算[10]。

式 中：M 为 暂 堵 剂 质 量，kg；k 为 参 考 系 数，0.06～0.08；Lf为封堵长度，m；h 为缝高，m；λ 为单位面积暂堵剂重量，kg/m2。

考虑暂堵颗粒沉降、封堵成功率等因素，实际暂堵材料用量建议为设计用量的2 倍。

5 结论和建议

1）基于煤矿井下水力压裂应用现状，评价分析了煤矿井下暂堵压裂适应性，创造性的提出了将暂堵转向压裂技术运用于煤矿井下水力压裂，是一种具有研究及应用的价值的新型工艺。

2）暂堵转向压裂能够起到暂堵增压转向开启新裂缝，并充分利用煤层天然裂隙发育的自身优势，沟通延伸周缘裂隙体系，增大网络裂缝复杂程度，减小煤层盲区增大瓦斯泄气面积，有效释放煤层箱体内应力，增强压后瓦斯抽采效果。

3）优选了适合于煤矿井下压裂的小粒径水溶性暂堵剂。室内评价结果显示，水溶性暂堵剂MKZD-1具有良好的承压封堵性能，低温下水溶性能良好，适用于煤矿井下暂堵施工。

4）设计了煤矿井下暂堵转向压裂的工艺流程、暂堵剂加量方法，对施工中的暂堵转向压力鉴别提出了建议，对现场作业具有一定的指导意义。

5）建议在已有水力压裂基础上，进一步研究煤矿井下暂堵转向水力压裂的技术体系，将优选的MKZD-1 水溶性暂堵剂进行现场工业性试验，确定煤矿井下暂堵水力压裂的适用条件，建立煤矿井下暂堵水力压裂区域瓦斯评价体系，对比评估瓦斯抽采效果。